(57)【要約】【課題】  冷媒による冷却効率を向上させることができる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供すること。【解決手段】  冷却水主流路３２が形成されたセパレータ１４ａと、該セパレータ１４ａの冷却水流路形成面側に積層された他の単セル２のセパレータ１４ｂと、これらセパレータ１４ａ，１４ｂ間に介在して冷却水主流路３２を流れる冷媒をシールする第２シール部材１０１ｃとを備えた燃料電池において、第２シール部材１０１ｃよりもセパレータ面方向の内側に、第２シール部材１０１ｃ側への冷却水流れを規制する外周リブ１５を設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路が形成されたセパレータと、該セパレータの冷媒流路形成面側に積層された積層部材と、これらセパレータと積層部材との間に介在して前記冷媒流路を流れる冷媒をシールするシール部とを備えた燃料電池であって、
前記シール部よりもセパレータ面方向の内側に、前記シール部側への冷媒流れを規制する冷媒規制部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記冷媒規制部は、前記シール部の内側ラインに隣接する部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記冷媒規制部は、前記セパレータの冷媒流路形成面側に設けられた凸部よりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータには前記冷媒流路に前記冷媒を供給するマニホールドが貫通して設けられ、
前記冷媒規制部の少なくとも一部が前記マニホールドの開口縁に沿って設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記冷媒規制部が定寸構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
冷媒流路と該冷媒流路を流れる冷媒をシールするシール部が設けられた燃料電池用のセパレータであって、
前記シール部よりもセパレータ面方向の内側に、前記シール部側への冷媒流れを規制する冷媒規制部が設けられていることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項７】
前記冷媒流路に前記冷媒を供給するマニホールドが貫通して設けられ、
前記冷媒規制部の少なくとも一部が前記マニホールドの開口縁に沿って設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
冷媒流路と該記冷媒流路に冷媒を供給するマニホールドが形成された燃料電池用のセパレータであって、
冷媒流れを規制する冷媒規制部の少なくとも一部が前記マニホールドの開口縁に沿って設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
前記冷媒規制部が定寸構造であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池用セパレータに関し、特に、冷媒による燃料電池冷却の効率向上に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを積層して構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード）と、からなる。
【０００３】
図５〜図７に示したものは、ＭＥＡを挟持するセパレータ１２ａ，１２ｂである。セパレータ１２ａ，１２ｂの端部には、冷却水を給排するマニホールド４３，５３が矩形状に貫通形成されている。また、ＭＥＡの電極に面する部分が例えばプレス成形されることで、表裏各面に複数の凸状のリブ１３ａが形成されており、これらリブ１３ａの間に、冷却水導入流路３２ａ，冷却水主流路３２，及び冷却水導出流路３２ｂが形成されている。
【０００４】
セパレータ１２ａ，１２ｂ間に図示しないＭＥＡを挟み込んで構成される単セルを複数積層して燃料電池スタックが構成される。このとき、隣接する一方の単セルのセパレータ１２ａと、他方の単セルのセパレータ１２ｂとの間には、冷却水主流路３２とその入口側及び出口側に連なる冷却水導入流路３２ａ及び冷却水導出流路３２ｂが画成される。これら流路３２ａ，３２，３２ｂを流れる冷却水は、図６に示すように、両セパレータ１２ａ，１２ｂ間に介装されたシール部材（ガスケット）１０１ｃによってシールされる。
【０００５】
燃料電池の発電時においては、図５及び図７に示したように、入口側のマニホールド４３から供給された冷却水は、矢印Ａに示すように流路３２ａ，３２，３２ｂを流れる。冷却水は、ＭＥＡの発電領域（ＭＥＡの電極に面する領域）に対応した部分（エリア）を冷却した後、出口側のマニホールド５３に流れ込んで排出される。
【特許文献１】特開２００２−２３１２７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように構成された燃料電池では、シール部材１０１ｃを貼り付けるためのスペースをセパレータ１２ａ，１２ｂの周縁部に設ける必要がある。すなわち、シール部材１０１ｃは、非圧縮状態での設置スペースに加えて、圧縮状態でのセパレータ面方向の潰れ量を予め見込んでおいて、マニホールド４３，５３からセパレータ外周側に離れた位置に固定される。
【０００７】
したがって、マニホールド４３，５３とシール部材１０１ｃの内側ラインとの間には冗長な隙間Ｓが生じ、図５および図７に示したように、この隙間に回り込んだ冷却水の一部がシール部材１０１ｃに沿って矢印Ｂのように流れる。矢印Ｂに沿う領域、つまり、ＭＥＡの発電領域に非対応の部分（エリア）は、発熱する発電領域に面しておらず、冷却が不必要な領域であるため、この領域に冷却水が回り込むことで冷却効率が低下するという課題があった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、冷媒による冷却効率を向上させることができる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のポイントは、冷却効率を向上させるために、セパレータの冷媒（冷却液）流路において、ＭＥＡの発電領域に対応しない領域への冷媒（冷却液）の流れを低減することにある。すなわち、セパレータの一方の面に隣接配置されるＭＥＡの発電領域の周縁部に対応させて冷媒（冷却液）流路の周縁部を形成することにある。
【００１０】
例えば、冷媒（冷却液）流路の周縁部にシール部材を配置する場合においては、シール部よりもセパレータ面方向の内側に、シール部材側への冷媒の流れを規制する冷媒規制部が設けられる。
【００１１】
しかるに、本発明の燃料電池は、冷媒流路が形成されたセパレータと、該セパレータの冷媒流路形成面側に積層された積層部材と、これらセパレータと積層部材との間に介在して前記冷媒流路を流れる冷媒をシールするシール部とを備えた燃料電池であって、前記シール部よりもセパレータ面方向の内側に、前記シール部側への冷媒流れを規制する冷媒規制部が設けられていることを特徴とする。積層部材としては、例えば導電板やセパレータがある。
【００１２】
このような構成によれば、シール部近傍のような冷却を行う必要がない領域、すなわち、発電領域外に冷媒の一部が回り込むことが規制される。この冷媒規制部は、シール部の内側ラインに隣接する部位に設けられていることが好ましい。
【００１３】
前記冷媒規制部は、前記セパレータの冷媒流路面側に設けられた凸部よりなる構成としてもよい。
【００１４】
このような構成によれば、凸部の先端がこれと向かい合あった積層部材と接することで、冷媒が凸部を乗り越えてシール近傍に回り込むことが規制される。凸部はセパレータと一体成形されたものでもよいし、別体に成形されてセパレータに固定されたものであってもよい。
【００１５】
前記冷媒流路に前記冷媒を供給するマニホールドが前記セパレータに貫通して設けられている構成においては、前記冷媒規制部の少なくとも一部が前記マニホールドの開口縁に沿って設けられていることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、マニホールドを出た冷媒は、冷却を行う必要のない領域への回り込みを抑制されながら各冷媒流路に導入される。
【００１７】
以上の構成からなる燃料電池においては、前記冷媒規制部が定寸構造とされていてもよい。
【００１８】
この構成によれば、冷媒規制部が例えばガスケットのようには容易に変形しないので、単に冷媒流れを規制するだけでなく、セパレータを所定間隔で積層するためのスペーサとしても機能させることができる。
【００１９】
本発明の燃料電池用セパレータは、冷媒流路と該冷媒流路を流れる冷媒をシールするシール部が設けられた燃料電池用のセパレータであって、前記シール部よりもセパレータ面方向の内側に、前記シール部側への冷媒流れを規制する冷媒規制部が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
このように構成されたセパレータが燃料電池の一積層部材として他の積層部材と共に積層されて燃料電池が構成されると、シール部近傍のような冷却を行う必要がない領域、すなわち、発電領域外に冷媒の一部が流れ込むことが規制される。
【００２１】
前記冷媒流路に前記冷媒を供給するマニホールドが貫通して設けられている構成においては、前記冷媒規制部の少なくとも一部が前記マニホールドの開口縁に沿って設けられていることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、マニホールドを出た冷媒は、冷却を行う必要のない領域への回り込みを抑制されながら各冷媒流路に導入される。
【００２３】
本発明の燃料電池用セパレータは、冷媒流路と該冷媒流路に冷媒を供給するマニホールドが形成された燃料電池用のセパレータであって、冷媒流れを規制する冷媒規制部の少なくとも一部が前記マニホールドの開口縁に沿って設けられていることを特徴とする。
【００２４】
このように構成されたセパレータが燃料電池の一積層部材として他の積層部材と共に積層されて燃料電池が構成されると、マニホールドからシール部近傍のような冷却を行う必要がない領域、すなわち、発電領域外への冷媒の回り込みを抑制しつつ、各冷媒流路に冷媒を導入することが可能となる。
【００２５】
以上の構成からなる燃料電池用セパレータにおいては、前記冷媒規制部が定寸構造とされていてもよい。
【００２６】
この構成によれば、冷媒規制部が例えばガスケットのようには容易に変形しないので、単に冷媒流れを規制するだけでなく、セパレータを所定間隔で積層するためのスペーサとしても機能させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、シール部よりもセパレータ面方向の内側に冷媒規制部が設けられているので、冷却を行う必要がない領域への冷媒の回り込みが規制され、燃料電池の冷却効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に、本発明の一実施形態について図１乃至図４を参照して説明する。まず図４に示した燃料電池の単セル構造について概略を説明する。図４に示した単セル２は、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１４ａ，１４ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。詳細を後述するように、ＭＥＡ１１と各セパレータ１４ａ，１４ｂとは、それらの間の周辺部において第１シール部材１０１ａ，１０１ｂによりシールされている。
【００２９】
ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）とで構成されている。セパレータ１４ａ，１４ｂには、電極２２ａ，２２ｂに面する部分をプレス成形されることで表裏各面に複数の凸状のリブ１３が形成されている。これらリブ１３の間に、酸化ガスのガス流路３１ａまたは水素ガスのガス流路３１ｂや、冷却水主流路（冷媒流路）３２が形成される。
【００３０】
具体的には、セパレータ１４ａの電極２２ａ側となる内側の面には、酸化ガスのガス流路３１ａが複数形成され、その反対側の外側の面（冷媒流路形成面）には、冷却水主流路３２が複数形成されている。同様に、セパレータ１４ｂの電極２２ｂ側となる内側の面には、水素ガスのガス流路３１ｂが複数形成され、その反対側の外側の面（冷媒流路形成面）には、冷却水主流路３２が複数形成されている。
【００３１】
セパレータ１４ａ，１４ｂの一方の端部（短辺部）には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、水素ガスの入口側のマニホールド４２、および冷却水（冷媒）の入口側のマニホールド４３が矩形状に貫通形成されている。セパレータ１４ａ，１４ｂの他方の端部（短辺部）には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、水素ガスの出口側のマニホールド５２、および冷却水の出口側のマニホールド５３が矩形状に貫通形成されている。
【００３２】
第１シール部材１０１ａは、セパレータ１４ａの酸化ガスに関連する通路（ガス流路３１ａ、マニホールド４１，５１）を全てＭＥＡ１１側にて囲繞する一続きの第１メインシール部１１１ａと、セパレータ１４ａの水素ガスの入口側および出口側のマニホールド４２，５２をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１２ａ，１１３ａと、セパレータ１４ａの冷却水の入口側および出口側のマニホールド４３，５３をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１４ａ，１１５ａとで構成されている。第１サブシール部１１２ａ〜１１５ａは、それぞれ第１メインシール部１１１ａと分離している。
【００３３】
同様に、第１シール部材１０１ｂは、セパレータ１４ｂの水素ガスに関連する通路（ガス流路３１ｂ、マニホールド４２，５２）を全てＭＥＡ１１側にて囲繞する一続きの第１メインシール部１１１ｂと、セパレータ１４ｂの酸化ガスの入口側および出口側のマニホールド４１，５１をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１６ｂ，１１７ｂと、セパレータ１４ｂの冷却水の入口側および出口側のマニホールド４３，５３をＭＥＡ１１側にて囲繞する枠状の第１サブシール部１１４ｂ，１１５ｂとで構成されている。第１サブシール部１１４ｂ〜１１７ｂは、それぞれ第１メインシール部１１１ｂと分離している。
【００３４】
このようにして単セル２が構成され、複数の単セル２間に第２シール部材（シール部）１０１ｃを介装してこれら単セル２を積層することにより、燃料電池が構成される。第２シール部材１０１ｃは、セパレータ１４ｂ（１４ａ）の冷却水に関連する通路（冷却水主流路３２、冷却水導入流路３２ａ、冷却水導出流路３２ｂ、マニホールド４３，５３）を全て、隣接する単セル２側にて囲繞する一続きの第１メインシール部１１１ｃを有している。
【００３５】
また、第２シール部材１０１ｃは、第１シール部材１０１ａ，１０１ｂと同様に、水素ガス用の第１サブシール部１１２ｃ、１１３ｃと、酸化ガス用の第１サブシール部１１６ｃ、１１７ｃとを、それぞれ第１メインシール部１１１ｃから分離した状態で有している。
【００３６】
図１は、図４に示したセパレータ１４ａ（１４ｂ）のマニホールド４３及びその周辺部分を拡大した図である。マニホールド４３と図外の冷却水主流路３２との間には、凸状のリブ１３ａが複数設けられており、これらリブ１３ａ間がマニホールド４３からの冷却水を冷却水主流路３２に導入する冷却水導入流路３２ａとなっている。同様に、冷却水主流路３２とマニホールド５３との間にも凸状のリブが複数設けられており、これらリブ間が冷却水主流路３２からマニホールド５３に冷却水を導出する冷却水導出流路３２ｂとなっている。
【００３７】
マニホールド４３を介してセパレータ１４ａ（１４ｂ）の冷媒流路形成面側に供給された冷却水は、冷却水導入流路３２ａを通って冷却水主流路３２に導かれ、該冷却水主流路３２に面する発電領域を冷却しながら、冷却水導出流路３２ｂを通ってマニホールド５３に排出される。これら冷却水導入流路３２ａ及び冷却水導出流路３２ｂは、上記冷却水主流路３２と同様、本発明における冷媒流路の一部を構成している。
【００３８】
セパレータ１４ａ，１４ｂには更に、マニホールド４３，冷却水導入流路３２ａ，冷却水主流路３２，冷却水導出流路３２ｂ，及びマニホールド５３を包括的に取り囲むように、外周リブ（冷媒規制部、凸部）１５が設けられている。外周リブ１５は、セパレータ１４ａ，１４ｂに形成された堤状をなす定寸構造の突起からなり、その横断面形状は例えば矩形状となっている。
【００３９】
すなわち、本実施形態に係る外周リブ１５は、セパレータ１４ａ，１４ｂ間を流れる冷媒をシールする第２シール部材１０１ｃよりもセパレータ面方向の内側、より具体的には、第２シール部材１０１ｃの内側ラインに隣接する部位に設けられており、冷却水導入流路３２ａ，冷却水主流路３２，及び冷却水導出流路３２ｂの形成領域を含む発電領域と、冷却水が給排されるマニホールド４３，５３とを取り囲んだ状態で設けられている。
【００４０】
外周リブ１５は、発電効率の低下抑制のため導電性であることが好ましい。例えば、セパレータ１４ａ，１４ｂをカーボンやメタルにより構成し、外周リブ１５をセパレータ１４ａ，１４ｂと一体成形することにより、外周リブ１５を導電性とすることができる。また、かかる構成によれば、セパレータ１４ａ，１４ｂと別体の外周リブ１５をこれらセパレータ１４ａ，１４ｂに後で固定する場合と比較して、部品点数及び組立工数を削減することができる。
【００４１】
隣接する一方の単セル２のセパレータ１４ａと、他方の単セル２のセパレータ（積層部材）１４ｂとは、図３のように各々の外周リブ１５の先端を突き合わせた状態で積層される。その際、両セパレータ１４ａ，１４ｂ間に第２シール部材１０１ｃが介装されることによって、マニホールド４３，冷却水導入流路３２ａ，冷却水主流路３２，及び冷却水導出流路３２ｂをこの順に流れてマニホールド５３から排出される冷却水が液密にシールされる。
【００４２】
なお、本実施形態の外周リブ１５は、セパレータ１４ａ，１４ｂと一体に成形されたものであり、セル積層方向の圧縮荷重（締付荷重）に対し、第２シール部材１０１ｃを含む他の全シール部材のようには容易に変形しない定寸構造とされているので、各セパレータ１４ａ，１４ｂを所定間隔で積層するためのスペーサとしても機能する。
【００４３】
このように構成された燃料電池の発電時においては、マニホールド４３から供給された冷却水が、外周リブ１５によって第２シール部材１０１ｃの内側ライン側への流れが阻止されるように案内（規制）されて、冷却水導入流路３２ａを通って各冷却水主流路３２に流入する。この冷却水は発電領域を冷却しながら、冷却水導出流路３２ｂを通って出口側のマニホールド５３に排出される。
【００４４】
以上のとおり、本実施形態によれば、マニホールド４３を出てセパレータ面方向に広がろうとする冷却水の流れが外周リブ１５によって発電領域側に案内されることによって、マニホールド４３と第２シール部材１０１ｃとの間の領域、つまり、発電領域外の非発熱領域に冷却水が回り込むことが規制され、図７の矢印Ｂで示されたような第２シール部材１０１ｃに沿った冷却水流れの発生を抑えることができる。よって、冷却水による燃料電池の冷却効率を向上させることが可能となる。
【００４５】
特に、外周リブ１５の一部がマニホールド４３の開口縁に沿って設けられているので、マニホールド４３からセパレータ面に供給された冷却水が冷却を行う必要がない領域に回り込むことを効果的に抑制しつつ、当該冷却水を各冷却水主流路３２に導入することができる。また、冷却水導出流路３２ｂを出た冷却水は、外周リブ１５に案内されながら、遠回りをすることなくマニホールド５３に排出される。
＜他の実施形態＞
上記実施形態では、外周リブ１５がマニホールド４３，冷却水導入流路３２ａ，冷却水主流路３２，冷却水導出流路３２ｂ，及びマニホールド５３の全てを取り囲むように設けられていたが、少なくとも外周リブ１５の一部がマニホールド４３，５３の開口縁のうちセパレータ外周側に面した部位に沿って設けられていてもよい。
【００４６】
また、外周リブ１５は、向かい合ったセパレータ１４ａ，１４ｂの少なくともいずれか一方に設けられていればよい。さらに、上記のように外周リブ１５をセパレータ１４ａ，１４ｂと一体成形してもよいが、セパレータ１４ａ，１４ｂとは別体に外周リブ１５を成形し、セパレータに１４ａ，１４ｂに対して固定するようにしてもよい。
【００４７】
また、セパレータと、該セパレータの冷媒流路形成面側に積層された積層部材との間に介在して冷媒流路を流れる冷媒をシールするシール部は、上記実施形態に係る第２シール部材１０１ｃのようなガスケットに限らず、接着剤でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池のセパレータの一部を示した斜視図である。
【図２】同セパレータの全体を示した概略平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃料電池の単セル構造を示した分解斜視図である。
【図５】従来の燃料電池のセパレータの一部を示した斜視図である。
【図６】セパレータを積層した状態について示した部分断面図である。
【図７】冷却水流れを示したセパレータの平面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１３…リブ、１４ａ，１４ｂ…セパレータ、１５…外周リブ（冷媒規制部、凸部）、１０１ｃ…第２シール部材（シール部）、３２…冷却水主流路（冷媒流路）、３２ａ…冷却水導入流路（冷媒流路）、３２ｂ…冷却水導出流路（冷媒流路）、４３，５３…マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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